多微孔納米SiO2電解液在鉛酸蓄電池中的應用

申屠超，童建穎，李顯楊，王芳權*

（1.浙江樹人大學生物與環(huán)境工程學院,浙江杭州 310015； 2.江西京九電源科技有限公司,江西南昌 330200）

隨著國際原油價格的上升，電動車這種交通工具越來越受到重視。鉛酸蓄電池是電動車用動力電池領域的主導產(chǎn)品，盡管近年來陸續(xù)出現(xiàn)了鋰電池等新型電池，但是鉛酸蓄電池的市場優(yōu)勢絲毫未受影響。因此，如何提高鉛酸蓄電池的質量與壽命備受研究者們的關注。近年來，納米SiO2膠體電解液在鉛酸蓄電池的應用方面取得了一些進展，但目前均以氣相SiO2為添加劑[1-4]。迄今未見有關多微孔納米SiO2作為鉛酸蓄電池電解液添加劑方面的報道。因此，本文對沉淀法制備的多微孔納米SiO2膠體電解液在鉛酸蓄電池中的應用作了研究與探索。

1 實驗

1.1 儀器與材料

1.1.1 儀器

E-CDQ12 V電動車蓄電池專用充電儀（三組獨立輸出）；μC-XCF50 A/12 V微電腦蓄電池循環(huán)充放電測試儀。

1.1.2 材料

6-DZM-12 AH蓄電池；SP1多微孔納米SiO2；HL-200氣相納米 SiO2；H2SO4（分析純）。

1.2 納米SiO2膠體電解液的制備

1.2.1 SP1多微孔納米SiO2膠體電解液的制備

在965 g相對密度為1.335（25℃）的H2SO4中加入35 g SP1多微孔納米SiO2，充分攪拌均勻，配制成相對密度約為1.38（25℃）的多微孔納米SiO2膠體電解液，備用。

1.2.2 HL-200納米SiO2膠體電解液的制備

在965 g相對密度為1.335（25℃）的H2SO4中加入35 g HL-200氣相納米SiO2，充分攪拌均勻，配制成相對密度約為1.38（25℃）的HL-200納米SiO2膠體電解液，備用。

1.3 實驗方法

分別用SP1多微孔納米SiO2膠體電解液、HL-200氣相納米SiO2膠體電解液、以及比重為1.335（25℃）的H2SO4電解液制備實驗用6-DZM-12AH蓄電池（抽真空灌裝），用E-CDQ12V電動車蓄電池專用充電儀進行初次充電（充電過程中視情況及時補充電解液），充滿電且靜置24 h后，將極群上面的自由電解液吸出，蓋上膠帽與蓋板。再用μC-XCF50A/12V微電腦蓄電池循環(huán)充放電測試儀進行循環(huán)充放電實驗（5.0 A放電、10.50 V終止）。

2 結果與討論

2.1 SP1多微孔納米SiO2、HL-200納米SiO2膠體電解液的蓄電池循環(huán)壽命實驗

按上述實驗方法分別進行SP1多微孔納米SiO2膠體電解液、HL-200氣相納米SiO2膠體電解液、以及相對密度為1.335的H2SO4電解液的6-DZM-12AH鉛酸蓄電池充放電的循環(huán)壽命實驗，實驗數(shù)據(jù)結果見表1與圖1。

從表1與圖1可見，SP1多微孔納米SiO2膠體電解液灌

表1 不同電解液的6-DZM-12AH蓄電池循環(huán)壽命實驗的放電時間(25 ℃、5.0 A放電、10.50 V 終止)min

圖1 不同電解液的6-DZM-12AH鉛酸蓄電池循環(huán)壽命實驗（25℃、5.0 A放電、10.50 V終止）裝的鉛酸蓄電池充放電的循環(huán)壽命較高，可達400次以上（按不低于額定容量的80%計[5]）。以行業(yè)標準新鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命250次計，SP1多微孔納米SiO2膠體電解液的鉛酸蓄電池循環(huán)使用壽命已達行業(yè)標準壽命的160%左右（由于循環(huán)壽命實驗的周期較長，其重現(xiàn)性有待進一步驗證）。

2.2 SP1多微孔納米SiO2添加量的實驗

分別以SP1多微孔納米SiO2添加量為1%、2%、3%、3.5%、4%（質量分數(shù)）所制備的電解液進行鉛酸蓄電池循環(huán)壽命的實驗，其充放電的循環(huán)壽命依次分別為325、362、387、400、403次。實驗結果表明，當電解液中SP1多微孔納米SiO2含量為1%～3.5%時，隨著SP1多微孔納米SiO2含量的增加鉛酸蓄電池的充放電循環(huán)壽命也提高，當電解液中SP1多微孔納米SiO2含量達3.5%以上時，鉛酸蓄電池的充放電循環(huán)壽命已基本不變。因此，以SP1多微孔納米SiO2添加量為3.5%時的電解液為最佳。故選用SP1多微孔納米SiO2添加量與HL-200氣相納米SiO2添加量均為3.5%的電解液作對比實驗。

2.3 SP1多微孔納米SiO2膠體電解液作用機理探討

一般認為，納米SiO2膠體電解液中的硫酸和水被“存貯”在硅凝膠網(wǎng)絡中，當電池被充電時，由于電解液中的硫酸濃度增加使之“增稠”并伴有裂隙產(chǎn)生，充電后期的“電解水”反應使正極產(chǎn)生的氧氣通過這無數(shù)的裂隙到達負極被吸收并還原成水；放電時電解液中的硫酸濃度降低使之“變稀”，又成為灌注電池前的稀膠狀態(tài)[1-2]。SP1多微孔納米SiO2有較大的比表面積(640±20)m2/g[HL-200氣相納米SiO2的比表面積為(200±20)m2/g]。由于SP1多微孔納米SiO2具有較大的比表面積和獨特的多微孔結構，易形成以多微孔納米SiO2為骨架的三維網(wǎng)狀結構，所制備的膠體電解液具有更高的活性和更強的保酸、保水能力，減少了酸霧氣體的逸出，尤其是減少了水分的損失，從而延緩了鉛酸蓄電池的不可逆硫酸鹽化的產(chǎn)生，提高了鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命。

3 結論

以SP1多微孔納米SiO2所制備的膠體電解液具有活性高、載酸能力強、保水性能好的優(yōu)勢，減少了酸霧氣體的逸出，尤其是減少了水分的損失，從而延緩了鉛酸蓄電池的不可逆硫酸鹽化的產(chǎn)生，提高了鉛酸蓄電池的循環(huán)使用壽命。用SP1多微孔納米SiO2添加量為3.5%（質量分數(shù)）的電解液所制備的鉛酸蓄電池循環(huán)使用壽命可達行業(yè)標準壽命的160%左右。

[1] 龍成坤,劉莉,段先健,等.氣相二氧化硅在膠體蓄電池中的應用[J].蓄電池,2006(2):70-72.

[2] 王景川.膠體蓄電池及其電解質中的氣相二氧化硅[J].蓄電池,2002(2):65-67.

[3] 徐龐連,陳妹瓊,陳紅雨.氣相二氧化硅含量對膠體電解質性能的影響[J].蓄電池,2007(4):161-163.

[4] 羅紅宇,張杰.納米SiO2作為蓄電池添加劑的研究[J].浙江海洋學院學報,2003,22(2):155-157.

[5] 朱松然.鉛酸蓄電池技術[M].第二版.北京:機械工業(yè)出版社,2003:74-80.